第十二章+同步电机的基本理论和运行特性
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第十二章 同步电机的基本理论和运行特性2
If 图12-29 由空载特性和零功率因数特性确定饱和同步电抗
o
a'
b
二、短路比
三、漏抗的测定和保梯电抗
1. 漏抗的测定
E 0, U a a' b' a'' o b'' c'' (a) If o e (b) If d b c' OCC c ZPF UN E 0, U a db agl OCC c ZPF
d jI dx d c Iq o Id I
图12-23 例12-3相量图
b jIx q
E0
U a
jI qx q
12-7 电枢绕组的漏抗 12-
12-8 同步发电机的空载、短路 12- 同步发电机的空载、 和负载特性
空载特性OCC 一、空载特性OCC
E 0* agl 1.0 OCC
E r* 0 1.0
0.5
0
o
e
0.5 1.0 1.5 2.0f
I*f
图12-38(c) 例12-4的特性曲线图
I*
U*
agl
OCC
a
2.0 1.0
d b i
c
SCC
1.0
0.5
0
o
e
0.5 1.0 1.5 2.0f
I*f
图12-38(d) 例12-4的特性曲线图
I*
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agl
OCC
a
2.0 1.0
' E 0*
d b i
N
IN
If 图12-36(1) 用磁动势法求 U
o
U I E UN
N
agl
OCC
E
SCC IN
同步电机的基本理论和运行特性
扁铜线绕制而成,采用成型线圈 —用钢板焊接而成 —隔振结构、电刷等
精品课件
精品课件
隐极机定子
(隐)内定子插入外机座
(隐)外机座加工
精品课件
凸极精机品定课件子机座
2、转子 汽轮发电机转子(隐极)
最大直径限制在1m左右 瘦长型：采用增大长度来增大容量（l/D=5~7) 形式：整块式、组合式 其它部件：转轴、风扇、集电环 大齿：小齿=1：2
汽轮发电机组
精品课件
三、同步电机的额定值（铭牌）
• 额定容量SN(或功率PN)：额定运行时的输出容量（或功率）
• 额定电压UN ——定子的线电压
• 额定电流IN ——定子的线电流
• 额定功率因数cosθN ——额定运行时电机的功率因数
• 额定频率fN ——我国标准工频50Hz
• 额定转速nN ——即为同步转速
• 额定效率ηN
（发电机： P NSNco N s3 U N INco N s
)
（电动机： P N S N co NN s3 U N IN co NN s )
• 额定励磁电压UfN和额定励精磁品电课件流IfN
课时小结
• 同步电机命名的由来？同步电机的基本特点和主 要用途？
• 电机产生旋转磁场的机理有哪些？它们间有什么 异共同点？
• 隐极机和凸极极的各自的结构特点比较？ • 同步电机运行方式？判别依据？ • 同步电机的额定值间的关系？
精品课件
§12.2 同步电机的励磁系统
励磁系统—为同步电机提供励磁电流(直流)的整个系统
一、励磁系统应满足的条件:
➢能稳定提供发电机从空载到满载(及过载)所需的If ➢当电网电压减小时,能快速强行励磁,提高系统稳定性.
转子
精品课件
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隐极机定子
(隐)内定子插入外机座
(隐)外机座加工
精品课件
凸极精机品定课件子机座
2、转子 汽轮发电机转子(隐极)
最大直径限制在1m左右 瘦长型：采用增大长度来增大容量（l/D=5~7) 形式：整块式、组合式 其它部件：转轴、风扇、集电环 大齿：小齿=1：2
汽轮发电机组
精品课件
三、同步电机的额定值（铭牌）
• 额定容量SN(或功率PN)：额定运行时的输出容量（或功率）
• 额定电压UN ——定子的线电压
• 额定电流IN ——定子的线电流
• 额定功率因数cosθN ——额定运行时电机的功率因数
• 额定频率fN ——我国标准工频50Hz
• 额定转速nN ——即为同步转速
• 额定效率ηN
（发电机： P NSNco N s3 U N INco N s
)
（电动机： P N S N co NN s3 U N IN co NN s )
• 额定励磁电压UfN和额定励精磁品电课件流IfN
课时小结
• 同步电机命名的由来？同步电机的基本特点和主 要用途？
• 电机产生旋转磁场的机理有哪些？它们间有什么 异共同点？
• 隐极机和凸极极的各自的结构特点比较？ • 同步电机运行方式？判别依据？ • 同步电机的额定值间的关系？
精品课件
§12.2 同步电机的励磁系统
励磁系统—为同步电机提供励磁电流(直流)的整个系统
一、励磁系统应满足的条件:
➢能稳定提供发电机从空载到满载(及过载)所需的If ➢当电网电压减小时,能快速强行励磁,提高系统稳定性.
转子
同步电机的运行特性
同步发电机的运行特性同步发电机对称稳态运行时，保持转速为额定转速，端电压、电枢电流和励磁电流的变化关系。
一、空载特性1. 定义电枢绕组开路(空载)，保持转子转速为额定转速，电枢端电压U0(空载时即激磁电动势E0)随励磁电流If的变化曲线。
.2. 空载特性曲线见图6-113. 原因：交流绕组电动势公式。
4. 作用：判断同步发电机定子铁心的性能与故障。
二、短路特性1.定义：电枢绕组三相短接(短路，端电压U=0)，保持转子转速为额定转速，电枢电流I随励磁电流If的变化曲线。
2.短路特性曲线：见图6-243.原因：忽略电枢绕组的电阻Ra ，可认为短路电流为纯感性，即，则即此时，电枢反应的性质为直轴去磁的电枢反应，使气隙磁场不饱和，即。
所以，。
4.作用：配合空载特性求xd见图6-25，求xd 不饱和值，见图6-26，求xd 的饱和值，三、外特性及电压变化率1.定义保持转子转速为额定转速，且励磁电流 If 和负载功率因数cosφ不变，发电机端电压U随负载电流I的变化曲线，即U=f (I ) 。
2.外特性曲线见图6-30，负载功率因数不同，外特性曲线不同3.原因感性负载(cosφ =0.8滞后)和纯电阻负载时，外特性曲线是下降的。
这是由于电枢反应去磁作用和漏阻抗压降所引起的。
容性负载(cosφ=0.8超前)时，外特性曲线可能上升。
这是由于电枢反应助磁作用抵消漏阻抗压降使端电压下降的影响使端电压上升。
4.电压调整率调节发电机的励磁电流，使电枢电流为额定电流、功率因数为额定功率因数，端电压为额定电压，此时的励磁电流为额定励磁电流IfN。
保持励磁电流为IfN，转子转速为额定转速，卸去负载(即I=0)，此时端电压的升高的百分值即为电压调整率，用Δu表示，即Δu= 100%同步电机的电压调整率较大，汽轮发电机通常在(30~48)%，水轮发电机通常在(18~30)%;而变压器的仅有(5~8)%。
四、整特性1.定义保持转子转速为额定转速，发电机端电压为额定电压和负载功率因数cosφ不变，励磁电流If随负载电流I的变化曲线，即If = f(I)。
同步发电机基本工作原理及运行特性
同步发电机基本工作原理及运行特性一、基本工作原理及结构同步发电机是利用电磁感应原理，将机械能转变为电能的装置。
所谓电磁感应就是导体切割磁力线的能产生感应电势，将导体连接成闭合回路，就有电流通过的现象。
导体镶嵌在铁芯的槽里，铁芯是固定不动的称为定于（静子）。
磁极是转动的，称为转子。
它是由励磁绕组和铁芯组成的。
励磁绕组通过滑环与外部励磁回路相连，定子和转子是发电机的基本组成部分。
那么，三相交流电是如何产生的呢？直流电通入转子绕组后，就产生了稳恒的磁场，沿定于铁芯内圆，每相隔120度，分别安放三相绕组A－X、B－Y、C－Z。
当转子被汽轮机拖动以3000r/min旋转时，定子绕组便切割磁力线，产生感应电势，感应电势的方向可由右手定则来确定。
由于转子产生的磁场是旋转磁场，所以定子绕组切割磁力线的方向不断变化，在其中感应的电势方向就不断变化，因而形成交变电势即交流电势。
交流电势的额定频率为f，它决定于发电机的极对数P和转速n，其计算公式为:f=np/60HZ，我国规定交流电的频率为50HZ。
即：p=1，n=3000r/min交流电势的相位关系：转子以3000r/min的转速不停地旋转A、B、C三相绕组先后切割转子磁场的磁力线，所以三相绕组中电势的相位是不同的，因为定子绕组在安放时，空间角度相差120°相序为A－B－C。
何为同步呢？当发电机并列带负荷后，三相绕组中的定子电流（电枢电流）将合成一个旋转磁场，交流磁场与转子同速度，同方向旋转，这就是同步。
二、同步发电机的运行特性同步发电机的运行特性，一般是指发电机的空载特性、短路特性、负载特性、外特性和调整特性等五种。
其中，外特性和调整特性是主要的运行特性，根据这些特性，运行人员可以判断发电机的运行状态是否正常，以便及时调整，保证高质量安全发电。
而空载特性、短路特性、负载特性则是检验发电机基本性能的特性，用于测量，计算发电机的各项基本参数。
1、外特性所谓外特性，就是励磁电流、转速、功率因数为常数的条件下，负荷变化时发电机端电压U的变化曲线。
同步电机的基本理论和运行特性
电动磁机电。压同Uf步N 、补电偿流机IfN为，T定T系子列绕组。连接等。
思索题
为何同步电机不能有任意旳转速？ 怎样从外形上区别汽轮发电机和水轮发电机？ 定子电枢绕组安排旳基本要求——各相绕组感
应电势对称
第二节 同步电机旳励磁系统
1. 基本概念 2. 励磁旳要求 3. 励磁方式 4. 几种励磁系统
交流励磁机静止整流励磁
同和副建副励主整一交励立励磁励流轴流磁起磁机磁后上副机来机机供有励旳后旳旳给三磁励再输交主台机磁转出流发交。电为电输电流自流出机发开励经电旳(电始过流励有机时静经磁时，由止过绕采即外晶静组用主部闸止。永发直管旳磁电流整三发机电流相电、源器桥机交提整式)。流供流硅主，后整励待供流磁电给器机压主 在中小型同步发电机中，也可采用自励式整流系统
对水轮发电机来说，因为水轮 机旳转速较低，离心力较小， 要发出工频电能，发电机旳极 数就比较多，做成励磁绕组集 中安放旳凸极式构造工艺上较 为简朴。中小型同步电机多半 也做成凸极式。
凸极电机气隙不均匀，极弧下 较小，而极间较大。
水轮发电机
特点——极数多，直径大，轴向长度短，整个转子在外形上与汽轮发电 机大不相同，具扁短形。大多数水轮发电机为立式。
过励时，有超前旳无功功率，如电容器。
二、同步电机旳构造特点 1、定子 2、转子 隐极式转子
隐极式转子上没有凸出旳磁极
气隙均匀，转子成圆柱形
沿着转子本体圆周表面上，开有许 多槽，这些槽中嵌放着励磁绕组。 在转子表面约1/3部分没有开槽，构 成大齿，是磁极旳中心区。
励磁绕组通入励磁电流后，沿转子 圆周也会出现 N 极和 S 极。
磁极旋转式——电枢绕组在定子上，转子上装磁极。 使磁极旋转，励磁电流经过集电环送入励磁绕组。
思索题
为何同步电机不能有任意旳转速？ 怎样从外形上区别汽轮发电机和水轮发电机？ 定子电枢绕组安排旳基本要求——各相绕组感
应电势对称
第二节 同步电机旳励磁系统
1. 基本概念 2. 励磁旳要求 3. 励磁方式 4. 几种励磁系统
交流励磁机静止整流励磁
同和副建副励主整一交励立励磁励流轴流磁起磁机磁后上副机来机机供有励旳后旳旳给三磁励再输交主台机磁转出流发交。电为电输电流自流出机发开励经电旳(电始过流励有机时静经磁时，由止过绕采即外晶静组用主部闸止。永发直管旳磁电流整三发机电流相电、源器桥机交提整式)。流供流硅主，后整励待供流磁电给器机压主 在中小型同步发电机中，也可采用自励式整流系统
对水轮发电机来说，因为水轮 机旳转速较低，离心力较小， 要发出工频电能，发电机旳极 数就比较多，做成励磁绕组集 中安放旳凸极式构造工艺上较 为简朴。中小型同步电机多半 也做成凸极式。
凸极电机气隙不均匀，极弧下 较小，而极间较大。
水轮发电机
特点——极数多，直径大，轴向长度短，整个转子在外形上与汽轮发电 机大不相同，具扁短形。大多数水轮发电机为立式。
过励时，有超前旳无功功率，如电容器。
二、同步电机旳构造特点 1、定子 2、转子 隐极式转子
隐极式转子上没有凸出旳磁极
气隙均匀，转子成圆柱形
沿着转子本体圆周表面上，开有许 多槽，这些槽中嵌放着励磁绕组。 在转子表面约1/3部分没有开槽，构 成大齿，是磁极旳中心区。
励磁绕组通入励磁电流后，沿转子 圆周也会出现 N 极和 S 极。
磁极旋转式——电枢绕组在定子上，转子上装磁极。 使磁极旋转，励磁电流经过集电环送入励磁绕组。
同步电动机的基本理论
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低能耗和碳排放。
高效能同步电动机的应用领域
高效能同步电动机广泛应用于工业自动化、电力、交通、新能源等领域。在工业自动化 领域，高效能同步电动机能够提高生产效率和降低运营成本；在电力和交通领域，高效 能同步电动机能够提高能源利用效率和减少环境污染；在新能源领域，高效能同步电动
机能够助力可再生能源的利用和发展。
同步电动机的调速与控制
调速
同步电动机的调速可以通过改变电机的输入电压或电流来实现，也可以通过改变电机的极数或频率来实现。
控制
同步电动机的控制可以通过控制系统来实现，控制系统可以根据实际需求对电机的运行状态进行实时监测和控制， 以保证电机的正常运行。
同步电动机的故障诊断与处理
故障诊断
同步电动机的故障诊断可以通过监测电机的运行状态和参数来实现，如电机温度、振动、声音等，一 旦发现异常，立即进行故障诊断。
同步电动机的特点
效率高
同步电动机的效率一般在90%以 上，比异步电动机高出10%左右。
调速性能好
同步电动机的转速与电源的频率成 正比，可以通过调整电源的频率来 实现调速，调速范围广，精度高。
维护方便
同步电动机的结构简单，维护方便， 使用寿命长。
同步电动机的应用场景
大型工业设备
如轧钢机、造纸机等需要大功率驱动的设备。
同步电动机的智能化控制技术
智能化控制技术
随着信息技术和人工智能的发展，智能 化控制技术成为同步电动机的重要发展 方向。通过引入传感器、控制器和优化 算法，实现同步电动机的实时监测、智 能诊断和自动控制，提高电机的运行稳 定性和可靠性。
VS
智能化控制技术的应用
智能化控制技术广泛应用于同步电动机的 控制系统中。通过智能化控制技术，可以 实现同步电动机的远程监控、故障预警和 自动修复等功能，提高电机的运行效率和 安全性。
同步发电机的参数测定和运行特性课件
同步发电机的参数测定和运行特性
在纯感性负载时
E0 UIxs
•磁路饱和决定于空气隙中的 合成磁场，忽略漏阻抗压降， 则决定于端电压。
•不同的端电压时，xs不同 •当磁路不饱和时，同步电抗 电压为c’a’，比ca大。不饱 和同步电抗的数值比饱和同步 电抗的数值大。
xs
xs UN
IN xs UN
ca ab
同步发电机的参数测定和运行特性课件
电机学
同步发电机的参数测定和运行特性
同步发电机的空载特性
ab
•当励磁电流较小时，由于磁通较 小，电机磁路没有饱和，空载特性 呈直线（将其延长后的射线称为 （气隙线）磁势主要消耗在气隙上
•随着励磁电流的增大，磁路逐渐 饱和，磁化曲线开始进入饱和段。 （向下弯曲）
•铁磁饱和后，需磁势迅速增大， 横向距离bc为铁磁部分的磁压
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短路特性
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纯去磁
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短路特性不饱和
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同步发电机的参数测定和运行特性课件
电机学
凸极同步发电机 的短路特性分析
同步发电机的参数测定和运行特性
IN
同步发电机的参数测定和运行特性课件
同步发电机的参数测定和运行特性
电机学
转差率试验，测定xd、xq
同步电机由原动机带动，转速接近于同步转速，转子激 磁绕组开路（不加激磁），在定子端子上外施—对称三 相电压。为了避免转子被牵入同步，外施电压约为额定 电压的1/4左右，且使其相序能保证电枢旋转磁场的转 向与转子的转向—致。
电机学同步电机部分知识点总结
隐极机一般用汽轮机拖动，凸极机用水轮机拖动。
二、 对称负载时的电枢反应
1. 同步电机空载时，气隙磁场就是由励磁磁动势所产生的同步旋转的主磁场， 在定子绕组中只感应有空载电动势，因为定子电流为 0，所以端电压就等于 空载电动势。带上对称负载以后，定子绕组流过负载电流时，电枢绕组就会 产生电枢磁动势以及相应的电枢磁场，若仅考虑其基波，则它与转子同向、 同速旋转，它的存在使空气隙磁动势分布发生变化，从而使空气隙磁场以及 绕组中的感应电动势发生变化，这种现象称为电枢反应。
因此，与之对应有直轴电枢反应电抗和交轴电枢反应电抗，再把电枢反应电 抗与漏抗相加，可得直轴同步电抗和交轴同步电抗。
四、同步发电机的参数及测定 1.不饱和同步电抗和饱和同步电抗：不饱和同步电抗的数值要比饱和同步电抗的 数值大得多。（因为饱和时，磁阻大，电抗就小）（有一规律：气隙大，磁阻就大， 电抗就小） 2.漏抗的测定和保梯电抗（电抗三角形） （1）负载特性：当电枢电流及功率因数均为常数时，端电压与励磁电流之间的 关系曲线 U=f(If)称为负载特性。
同步电机的基本原理和运行特性
一、 同步电机（电机转子的转速和旋转磁场转速相同）的结构
转子上装有磁极和励磁绕组。当励磁绕组通以直流电流后，电机内就产生转 子磁场。同步电机的磁极通常装在转子上，而电枢绕组放在定子上，通常称为旋 转磁极式电机。
旋转磁极式同步电机的转子有隐极和凸极两种结构，隐极电机的气隙均匀， 凸极电机的气隙不均匀（极弧下较小，而极间较大）。
6. 由内功率因数角判断同步电机的运行方式。
三、 隐极+凸极同步发电机的分析方法
1.电枢反应电抗的物理意义：电枢反应磁场在定子每相绕组中所感应的电枢反应 电动势 ，可以把它看作相电流所产生的一个电抗电压降，这个电抗便是电枢 反应电抗 。 2.同步电抗： = + ,包含两部分，一部分对应于定子绕组的漏磁通，另 一部分对应于定子电流所产生的电枢反应磁通。在实用上，我们通常不把它们分 开，而是把 + 当作一个同步电抗来处理。
二、 对称负载时的电枢反应
1. 同步电机空载时，气隙磁场就是由励磁磁动势所产生的同步旋转的主磁场， 在定子绕组中只感应有空载电动势，因为定子电流为 0，所以端电压就等于 空载电动势。带上对称负载以后，定子绕组流过负载电流时，电枢绕组就会 产生电枢磁动势以及相应的电枢磁场，若仅考虑其基波，则它与转子同向、 同速旋转，它的存在使空气隙磁动势分布发生变化，从而使空气隙磁场以及 绕组中的感应电动势发生变化，这种现象称为电枢反应。
因此，与之对应有直轴电枢反应电抗和交轴电枢反应电抗，再把电枢反应电 抗与漏抗相加，可得直轴同步电抗和交轴同步电抗。
四、同步发电机的参数及测定 1.不饱和同步电抗和饱和同步电抗：不饱和同步电抗的数值要比饱和同步电抗的 数值大得多。（因为饱和时，磁阻大，电抗就小）（有一规律：气隙大，磁阻就大， 电抗就小） 2.漏抗的测定和保梯电抗（电抗三角形） （1）负载特性：当电枢电流及功率因数均为常数时，端电压与励磁电流之间的 关系曲线 U=f(If)称为负载特性。
同步电机的基本原理和运行特性
一、 同步电机（电机转子的转速和旋转磁场转速相同）的结构
转子上装有磁极和励磁绕组。当励磁绕组通以直流电流后，电机内就产生转 子磁场。同步电机的磁极通常装在转子上，而电枢绕组放在定子上，通常称为旋 转磁极式电机。
旋转磁极式同步电机的转子有隐极和凸极两种结构，隐极电机的气隙均匀， 凸极电机的气隙不均匀（极弧下较小，而极间较大）。
6. 由内功率因数角判断同步电机的运行方式。
三、 隐极+凸极同步发电机的分析方法
1.电枢反应电抗的物理意义：电枢反应磁场在定子每相绕组中所感应的电枢反应 电动势 ，可以把它看作相电流所产生的一个电抗电压降，这个电抗便是电枢 反应电抗 。 2.同步电抗： = + ,包含两部分，一部分对应于定子绕组的漏磁通，另 一部分对应于定子电流所产生的电枢反应磁通。在实用上，我们通常不把它们分 开，而是把 + 当作一个同步电抗来处理。
同步发电机的运行特性.ppt
之间的关系，E0 f (i f )
E0
下降 空载特性
上升
If
因E0正比于Φf，而励磁电流又正比于励磁磁势，
所以空载特性曲线与电机的磁化曲线在形状上完全相 同。空载特性主要有两个用处：
（1）空载特性可以反映出电机设计是否合理。如同前 面所分析的情况一样，额定电压应位于空载特性开始 弯曲的部分，这样才比较经济合理。
标幺值计算时的基值
定子侧 电压基值——额定相电压 电流基值——额定相电流 容量功率基值——电压基值*电流基值 阻抗基值——额定阻抗＝电压基值/电流基值
转子侧 转子电流基值——空载电势为额定相电压时的
激磁电流
1、同步发电机空载特性
同步发电机的空载、短路及零功率因数特性都是 同步发电机的基本特性，通过它们可以求出同步电 机的同步电抗及漏电抗，以确定同步发电机的其他 特性。 当同步发电机运行于n=n1,Ia=0时，即称为空载运 行。
同步发电机
直直流流电电动动机机的的起励动 磁电 调阻 节， 电阻， 同起起步动动发时时电打打机到到的最最励大小磁，，调运节行电时阻用
运来调行节时转打速到。最小
W
三
相
A
负
V
载
W
显然，此时我们通过改变励磁电流，则气隙中的 旋转磁通及电枢绕组中的感应电动势都会随之发生变 化。
1）空载特性：空载时不同励磁电流和产生空载电势
若忽略Ra, 则 E jIX
F Ff 1 Fa Ff 1 F Fa
而 if Ff 1
IK Ea a Fa
IK E F
磁路不饱和
I f IK
短路特性为一直线
.
.
三相短路时，由于 I k滞后于 E 090电角度，即
12第12章 同步发电机的基本理论概述
X ad X aq
Xd Xq
一般 X q 0.6 X d
第12章 同步发电机的基本理论
三、相量图
已知量： U
cos I a
Xd
X q Ra 0
I 为了画相量图，应先求出 I d q
U jI X jI X jI X jI X E 0 d d q q d q d q
气隙合成磁通 δ 0 a
第12章 同步发电机的基本理论
将
jI X E a a a
jI X E a
E E U I R 代入 E 0 a a a
U I R jI (X X ) 得 E 0 a a a a
jI X jI (X X ) U a q d d q
jI X E jI (X X ) U a q 0 d d q
I E 0 d
与 jI ( X X )重合 E 0 d d q
jI X )即为E 位置 I I 相量(U a q 0 d q I X q U sin 1 a 由相量图： tan U cos
滞后E Ψ角） 1. 0 90 ( I a 0
最大，I 0 当磁极转到水平位置时，U相 E 0 a 才达到最大 当磁极再转过 时， U相 I a
分 解 法
Fa 处在U相轴线上（如图）
交磁电枢反应. 直轴去磁电枢反应.
I I Fa Fad Faq I a d q
f (I f )
E0 f ( I f ) 空载特性
E0 0
I f Ff
Xd Xq
一般 X q 0.6 X d
第12章 同步发电机的基本理论
三、相量图
已知量： U
cos I a
Xd
X q Ra 0
I 为了画相量图，应先求出 I d q
U jI X jI X jI X jI X E 0 d d q q d q d q
气隙合成磁通 δ 0 a
第12章 同步发电机的基本理论
将
jI X E a a a
jI X E a
E E U I R 代入 E 0 a a a
U I R jI (X X ) 得 E 0 a a a a
jI X jI (X X ) U a q d d q
jI X E jI (X X ) U a q 0 d d q
I E 0 d
与 jI ( X X )重合 E 0 d d q
jI X )即为E 位置 I I 相量(U a q 0 d q I X q U sin 1 a 由相量图： tan U cos
滞后E Ψ角） 1. 0 90 ( I a 0
最大，I 0 当磁极转到水平位置时，U相 E 0 a 才达到最大 当磁极再转过 时， U相 I a
分 解 法
Fa 处在U相轴线上（如图）
交磁电枢反应. 直轴去磁电枢反应.
I I Fa Fad Faq I a d q
f (I f )
E0 f ( I f ) 空载特性
E0 0
I f Ff
12章 同步发电机的基本理论 课后答案
2
动势，电枢绕组匝数不可能太少，为了减小励磁安匝数，气隙应尽可能小，所以同步电抗不可能做得较 小。 （1）电枢绕组匝数增加，同步电抗增大； （2）铁心饱和程度提高，铁心磁导率降低，同步电抗减小； （3）气隙加大，同步电抗减小； （4）励磁绕组匝数增加，同步电抗不变。 12.9 同步发电机带上 0 的对称负载后，端电压为什么会下降，试从电路和磁路两方面来分析。
*
的相位关系，或者说取决于负载的性质。 与励磁电动势 E 答：电枢反应的性质取决于负载电流 I 0
（1）带电阻负载时，由于同步电抗的存在，负载性质呈阻感性，故电枢反应起交磁和直轴去磁作用；
* （2）带电容负载 X s 0.8 时，由于它小于同步电抗（ X s ，总电抗仍为感抗，电枢电阻很小，因 1.0 ）
或者说，因为发电机的直轴同步电抗较大，起限制短路电流的作用，所以短路电流不大。 12.11 列出隐极和凸极同步发电机在纯电容性负载下的电势方程式，并绘出其相量图。
U jI X E s 0 答： 隐极发电机的电势方程式和相量图： U jIX C
（ X C X s 时）
Xd
12.13 有一台三相隐极汽轮发电机，定子绕组 Y 接法，额定功率 PN 25000kW ，额定电压
U N 10.5kV ，额定电流 I N 1720A ，同步电抗 X s 2.3 ，不计电阻压降，用作图法求：
（1） I a I N ， cos 0.8 （滞后）时的 E0 ； （2） I a I N ， cos 0.8 （超前）时的 E0 。 解： （1） X s
由于凸极同步电机的气隙不均匀直轴处气隙小磁阻小交轴处气隙大磁阻大同样的电枢磁动势作用在不同位置时遇到的磁阻不同产生的电枢反应磁通不同对应的电枢反应电抗也不同即电枢磁动势电枢电流与电枢反应磁通电枢电动势之间不是单值函数关系因此分析凸极同步电机时要采用双反应理论
动势，电枢绕组匝数不可能太少，为了减小励磁安匝数，气隙应尽可能小，所以同步电抗不可能做得较 小。 （1）电枢绕组匝数增加，同步电抗增大； （2）铁心饱和程度提高，铁心磁导率降低，同步电抗减小； （3）气隙加大，同步电抗减小； （4）励磁绕组匝数增加，同步电抗不变。 12.9 同步发电机带上 0 的对称负载后，端电压为什么会下降，试从电路和磁路两方面来分析。
*
的相位关系，或者说取决于负载的性质。 与励磁电动势 E 答：电枢反应的性质取决于负载电流 I 0
（1）带电阻负载时，由于同步电抗的存在，负载性质呈阻感性，故电枢反应起交磁和直轴去磁作用；
* （2）带电容负载 X s 0.8 时，由于它小于同步电抗（ X s ，总电抗仍为感抗，电枢电阻很小，因 1.0 ）
或者说，因为发电机的直轴同步电抗较大，起限制短路电流的作用，所以短路电流不大。 12.11 列出隐极和凸极同步发电机在纯电容性负载下的电势方程式，并绘出其相量图。
U jI X E s 0 答： 隐极发电机的电势方程式和相量图： U jIX C
（ X C X s 时）
Xd
12.13 有一台三相隐极汽轮发电机，定子绕组 Y 接法，额定功率 PN 25000kW ，额定电压
U N 10.5kV ，额定电流 I N 1720A ，同步电抗 X s 2.3 ，不计电阻压降，用作图法求：
（1） I a I N ， cos 0.8 （滞后）时的 E0 ； （2） I a I N ， cos 0.8 （超前）时的 E0 。 解： （1） X s
由于凸极同步电机的气隙不均匀直轴处气隙小磁阻小交轴处气隙大磁阻大同样的电枢磁动势作用在不同位置时遇到的磁阻不同产生的电枢反应磁通不同对应的电枢反应电抗也不同即电枢磁动势电枢电流与电枢反应磁通电枢电动势之间不是单值函数关系因此分析凸极同步电机时要采用双反应理论
同步电机功率的及运行特性(34页)
-E′-E₀
-E₀” d
( 3)V形曲线 同步电动机的V形曲线I=fI):同步电动机在有功功率恒定、
励磁电流变化时，电枢电流随励磁电流变 化 的 曲线
V形曲线的几个特点 1.每一功率(负载)对应一条V形曲线 2.从欠励到正常励磁到过励I有最小值 3.每条曲线的最低点：cosφ=1,
连线向右倾斜。
Pm>P=>Pm Pm=Pm Pm=Pm Pm=Pm Pm=0
功角θ是转子磁极轴 线和定子合成磁极轴 线的空间夹角
忽略同步电动机定子电阻R。上的损耗
Pm≈P=3UIcosφ
从相量图中可知，
φ=y-θ
y为E₀与I之间的夹角，0为U与E₀之间的夹角
P=3UIcosφ=3UIcos(y-θ)
E₀
=3UI cos y cosθ+3UI siny sinθ
ji.X
I₄=1siny I₄=Icosy
Pm= ” k , sinO= mU1 cowp= 常 数 X,≈C
Esinθ=常数=Icosφ=常数
rco sp= 常数c
E₀sinθ=常数!B
jix
(
U
L
jI"X
E
j jmd I
E
D
0
|A
(2)特点
同步电动机输出有功功率P2恒定， 改变励磁电流可以调节其无功功率
E₀ sinθ=常数 B
jiX t
①正常励磁 当I=1m时，i₁ 与U₁同相，λ=1,电机呈电阻性。
②欠励磁 当I₁<Im时，i₁ ( i₁ )滞后于U,电 机 呈 电 感 性 。
I↓→ φ个，感性程度个。 ③过励磁
当I>Im时，I₁ (₁ ”)超前于U₁,
同步发电机的运行特性
应用领域的拓展
分布式发电
随着分布式发电技术的发展，同步发电机在分布式发电系统中的 应用将更加广泛，满足对能源的分散式生产和个性化需求。
海洋能源利用
结合海洋能发电技术，同步发电机可用于海洋能发电领域，为海洋 资源的开发利用提供新的能源解决方案。
工业自动化
在工业自动化领域，同步发电机将发挥重要作用，为机器人、自动 化设备等提供稳定可靠的能源供应。
稳定特性
总结词
描述同步发电机在运行过程中的稳定 性
详细描述
稳定特性是指同步发电机在运行过程 中的稳定性。通过合理的调节励磁电 流和负载分配，可以保证发电机在各 种工况下的稳定运行，避免发生振荡 或失步现象。
03
CHAPTER
同步发电机的效率与性能
效率分析
效率计算
同步发电机的效率是其输出功率 与输入功率之比，通常以百分比 表示。效率越高，能源利用越充
THANKS
谢谢
同步发电机的应用场景
01
02
03
电力系统
作为主要的电源设备，为 电力系统提供可靠的电能。
工厂自备电源
工厂自备的同步发电机组， 在停电或电网故障时保障 生产线的连续运行。
备用电源
作为备用电源，在主电源 故障时迅速启动，确保重 要设施的供电。
02
CHAPTER
同步发电机的运行特性
静态特性
总结词
描述同步发电机在稳态运行时的输出特性
同步发电机的运行特性
目录
CONTENTS
• 同步发电机概述 • 同步发电机的运行特性 • 同步发电机的效率与性能 • 同步发电机的故障与维护 • 同步发电机的未来发展与趋势
01
CHAPTER
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定子
转子
转子磁极铁芯
B C
定子铁芯 定子绕组 电刷 S N
C B
转子励磁绕组
集电环 （滑环）
A
N
S
+
A
气隙
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Back
1、定子
（同一般的交流电机相似；尺寸大，常采用拼装）
组成：铁芯、绕组、机座及其他部件 0.35～0.5mm硅钢片，叠压
定子铁心
由扇型片拼成，省材，便于运输
4 空间矢量相对于转子而言是静止的，由于转子以同 步速旋转，所以空间矢量相对于气隙而言就是以同 步速旋转的。
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四、空载电动势相量
气隙磁场由转子磁极建立
磁通：主磁通和漏磁通 主磁路：气隙、电枢齿、电枢轭、磁极极身、转子轭
E0 A E00 E0 B E0 120 E0C E0120
同轴连接 电压输出
交流主励磁机100Hz
旋转电枢绕组
主发电机
自动电压调节器
交流副励磁机500Hz
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图12-12 旋转整流励磁系统
§12.3 同步电机的空载运行
空载的定义 If=IfN，n=nN 定子绕组开路的状态 空载电动势E0
沿气 隙 分布
空载电动势E0随时间变
化规律与转子磁场沿空 间分布规律相同。
60 f n n1 p
当f=50Hz时，p=1、2、3、4、5… 则： n=n1=3000、1500、1000、750、600…
2、主要用途 ①主要作发电机 ②电动机（无需调速、低速大功率机械、改善功率因数） ③补偿机（空转的同步电动机，向电网输送无功功率）
一、同步电机的基本工作原理
A、同步发电机 定子 铁芯 电枢绕组 (交流) 转子 铁芯 励磁绕组(直流)
矩形开口槽,径向,轴向通风道
定子绕组
—三相对称双层绕组(电枢） 扁铜线绕制而成,采用成型线圈
机
座
—用钢板焊接而成
其他部件
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—隔振结构、电刷等
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隐极机定子
(隐)内定子插入外机座
(隐)外机座加工
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凸极机定子机座
2、转子
汽轮发电机转子(隐极)
四个轴：直轴、交轴、相轴、时轴 负载时的时空矢量图
F
Ψ
E
Ea
负载时 一、I 和 E0 同相(
0)时的电枢反应
A 相轴 q 时轴 E0 E
A 相轴 时轴
E 0A
A
F
F f1 0
IB E 0B
a
I Fa Ea
d
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同步电机空载时的时空矢量图
说明
1 时间相角有明确的物理意义，空间相角也有明确的
物理意义，但是时、空之间的“相角”无物理意义。 2 参考轴可以任意选择，但一般选择在相绕组轴线 3 空间矢量是由三相电枢或主极的共同作用产生的， 如磁动势和磁通密度。而时间相量仅指一相的量，
表示其电动势、电压、电流及绕组匝链的磁通。
• 额定效率ηN
（发电机： PN S N cos N 3U N I N cos N （电动机： PN S N cos N N 3U N I N cos N N
09级学习部资料 • 额定励磁电压UfN和额定励磁电流IfN
) )
课时小结
• 同步电机命名的由来？同步电机的基本特点和主 要用途？ • 电机产生旋转磁场的机理有哪些？它们间有什么 异同点？ • 隐极机和凸极极的各自的结构特点比较？(重点) • 同步电机运行方式？判别依据？ • 同步电机的额定值间的关系？
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课时小结
1. 同步发电机励磁可分为哪几类？(了解) 2. 同步发电机空载时气隙磁动势是定子还是转子产生的？磁 动势实际波形是什么波（隐极和凸极）？波形系数如何定
义？(重点)
3. 空间矢量和时间相量的物理意义有何区别？同步电机中哪
些量是空间矢量，哪些量是时间相量？何谓时空矢量图？
同步发电机空载时的时空矢量图？ (重点) 4. 电压波形正弦畸变率的定义是什么？
绕组 磁通
感应 电动势
一、隐极式同步电机的空载磁动势
基波分量
F f1 Ff
实际波形
Ff I f N f
x
转子磁极
图12-13 隐极同步电机转子磁势
定义：励磁磁动势波形系数
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转子绕组
k f Ff 1 Ff
kf取决于r（小齿齿距之和/极距）
二、凸极式同步电机的空载磁动势
隐极式 （Salient-pole） 旋转磁极式 凸极式 （Cylindrical-Rotor） 电 机 电枢：高电压、大电流，装在定子便于引出 磁极(励磁)：电流小，通过电刷可以引入转子
旋转电枢式 用于小容量或特殊用途同步电机
如同步电机的交流励磁机
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同步电机的组成：定子、(气隙)、转子
f Ff
实际波形
F f1
基波分量
x
转子绕组
转子磁极
图12-14 凸极同步电机转子磁势
Ff 1
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4
F f sin
2
kf
4
sin
2
三、时间相量和空间矢量
空间矢量：在空间按正弦规律分布的量 气隙磁动势基波分量 气隙磁密基波分量
Ff 1 Bf 1
时间相量：随时间按正弦规律变化的量 定子绕组所匝链的磁通 定子绕组感应电动势
最大直径限制在1m左右
瘦长型：采用增大长度来增大容量（l/D=5~7) 形式：整块式、组合式
其它部件：转轴、风扇、集电环
大齿：小齿=1：2
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水轮发电机转子(凸极)
结构：凸极、极靴、阻尼绕组、转子支架 形式：矮胖，直径大（>10m）
安装：悬式、伞式(见下图)
吊装中的水轮发电机转子(320MW)
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转子其它部件：
磁极铁芯、转子轭、支撑筋、转轴 阻尼绕组及作用
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1、上导轴承
2、上机架 3、推力轴承
4、下导轴承
5、下机架 悬式 伞式
伞式：
优—减小电机的轴向高度和厂房高度，节约投资 缺—机械稳定性稍差，用于低速
悬式：
优—减小振动和增加机械稳定性，用于高速 缺—轴向高度大，投资成本高
1、直流励磁机励磁系统
直流励磁机与同步发电机同轴 最常用直流并励发电机;也有采用它励直流发电机 一般带有自动电压调节器
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注：红色为转动部件
2 、交流励磁机整流励磁系统
交流励磁机与整流装置相配合 又可分为静止整流励磁和旋转整流励磁 无电刷和集电环，系统运行可靠，励磁容量高
★思考：区别（产生机理、转速、分布）？
同步机的三种运行方式: 发电机
转子磁场Ff超前于电枢磁场Fa Te与n1反向 N1
阻力
定子
n1 n1 n1
S2 N1
Te
补偿机
定子
S2
N1
Te 0
定子
电动机
转子磁场Ff滞后于电枢磁场Fa
09级学习部资料 e 1
n1
n1 S2
T 与n 同向
Te
驱动力
二、同步电机的构造特点
0 A
与 F 同方向， F 与 I A 同 a f1
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二、 I 滞后
( E090º 90)时的电枢反应
A 相轴 q 时轴
轴
F f1
0
E0 E
IA E 0B
d
F
a
Fa I
Ea
A 相时空矢量图
直轴去磁电枢反应
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枢反应
功率交换：Fa滞后Ff 180º 处于补偿机运行状态，仅输出感 ， 性无功功率（P=0，Q>0）
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§12.2 同步电机的励磁系统
励磁系统—为同步电机提供励磁电流(直流)的整个系统 一、励磁系统应满足的条件:
能稳定提供发电机从空载到满载(及过载)所需的If
当电网电压减小时,能快速强行励磁,提高系统稳定性. 发电机突然甩负荷时能快速减磁，限制电压过高 当电机内部发生短路故障时,能快速灭磁. 运行可靠,维护方便,简单,经济. 多台并联运行时，能够成组配合调节无功功率. 二、励磁系统分类 直流励磁机励磁系统 静止整流励磁 交流励磁机整流励磁系统 旋转整流励磁
1）静止整流励磁系统(他励)
同轴连接 电压输出
交流主励磁机100Hz 交流副励磁机500Hz
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主发电机
自动电压调节器
图12-11 他励式静止整流励磁系统
2）旋转整流励磁系统(无刷励磁系统) 主励磁机采用旋转电枢式三相同步发电机 无电刷和集电环，运行可靠，适用于防燃防爆场合 但灭磁时间常数大，转子绕组保护困难
量图
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A 相时空矢量图
交轴电枢反应
功率交换：Fa滞后Ff，处于发电机运行状态，仅输出有 功功率（P>0，Q=0，由相量图分析可得）。
电枢反应性质：F 滞后
a
Ff 1
90º ，作用在交轴，是交轴
电枢反应 特点：以A相绕组轴线作为空间矢量和时间相量的参考 轴，则在时空矢量图上 方向。
★与异步机比较
相电势大小：
E 4.44 fNK wm
频率： f pn
60
转子加 09级学习部资料 直流励磁
原动机 拖动转子
转子磁场 切割定子绕组